Чтобы выжить и работать в более холодных или более жарких условиях, необходимо обеспечить теплый климат на поверхности кожи с помощью одежды, а также искусственного обогрева или охлаждения. Понимание механизмов теплообмена через одежду необходимо для создания наиболее эффективных комплектов одежды для работы при экстремальных температурах.

Механизмы теплопередачи в одежде

Характер утепления одежды

Теплопередача через одежду или, наоборот, теплоизоляция одежды во многом зависит от воздуха, который задерживается в одежде и на ней. Одежда состоит, в первом приближении, из любого материала, обеспечивающего сцепление с воздухом. Это утверждение является приблизительным, поскольку некоторые свойства материалов все еще актуальны. Они относятся к механической конструкции тканей (например, сопротивление ветру и способность волокон поддерживать толстые ткани), а также к внутренним свойствам волокон (например, поглощение и отражение теплового излучения, поглощение водяного пара, впитывание пота). ). Для не слишком экстремальных условий окружающей среды достоинства различных типов волокон часто переоцениваются.

Воздушные слои и движение воздуха

Представление о том, что именно воздух, и в частности неподвижный воздух, обеспечивает изоляцию, предполагает, что толстые воздушные слои полезны для изоляции. Это верно, но толщина слоев воздуха физически ограничена. Воздушные слои образуются за счет прилипания молекул газа к какой-либо поверхности, прилипания второго слоя молекул к первому и т. д. Однако силы связи между последующими слоями становятся все меньше и меньше, в результате чего внешние молекулы перемещаются даже при незначительном внешнем движении воздуха. В спокойном воздухе воздушные слои могут иметь толщину до 12 мм, но при интенсивном движении воздуха, как в грозу, толщина уменьшается до менее 1 мм. Как правило, между толщиной и движением воздуха существует корень квадратного корня (см. «Формулы и определения»). Точная функция зависит от размера и формы поверхности.

Теплопроводность неподвижного и движущегося воздуха

Неподвижный воздух действует как изолирующий слой с постоянной проводимостью, независимо от формы материала. Нарушение воздушных слоев приводит к потере эффективной толщины; сюда относятся возмущения не только от ветра, но и от движений носителя одежды — перемещения тела (составляющей ветра) и движений частей тела. Естественная конвекция усиливает этот эффект. График, показывающий влияние скорости воздуха на изоляционную способность слоя воздуха, см. на рис. 1.

Рис. 1. Влияние скорости воздуха на изоляционную способность воздушной прослойки.

Теплопередача излучением

Излучение является еще одним важным механизмом передачи тепла. Каждая поверхность излучает тепло и поглощает тепло, излучаемое другими поверхностями. Лучистый тепловой поток приблизительно пропорционален разности температур между двумя обменивающимися поверхностями. Слой одежды между поверхностями будет мешать радиационному теплообмену, перехватывая поток энергии; одежда достигнет температуры, которая примерно равна средней температуре двух поверхностей, сократив разницу температур между ними в два раза, и, следовательно, лучистый поток уменьшится в два раза. По мере увеличения количества перехватывающих слоев скорость теплообмена снижается.

Таким образом, несколько слоев эффективно уменьшают лучистую теплопередачу. В ватинах и волокнистых нетканых материалах излучение поглощается распределенными волокнами, а не слоем ткани. Плотность волокнистого материала (точнее, общая поверхность волокнистого материала на объем ткани) является критическим параметром для переноса излучения внутри таких волокнистых нетканых материалов. Тонкие волокна обеспечивают большую поверхность для данного веса, чем грубые волокна.

Тканевая изоляция

В результате проводимости закрытого воздуха и переноса излучения проводимость ткани фактически является постоянной величиной для тканей различной толщины и переплетов. Таким образом, теплоизоляция пропорциональна толщине.

Паростойкость воздуха и тканей

Воздушные слои также создают сопротивление диффузии испаряющегося пота с влажной кожи в окружающую среду. Это сопротивление примерно пропорционально толщине комплекта одежды. Для тканей паропроницаемость зависит от окружающего воздуха и плотности конструкции. В настоящих тканях высокая плотность и большая толщина никогда не сочетаются. Благодаря этому ограничению можно оценить воздушный эквивалент тканей, не содержащих пленок или покрытий (см. рис. 8). Ткани с покрытием или ткани, ламинированные пленкой, могут иметь непредсказуемую паропроницаемость, которую следует определять путем измерения.

Рисунок 2. Зависимость между толщиной и паропроницаемостью (deq) для тканей без покрытий.

От ткани и воздушных слоев к одежде

Несколько слоев ткани

Некоторые важные выводы из механизмов теплопередачи заключаются в том, что хорошо изолирующая одежда обязательно толстая, что высокая теплоизоляция может быть достигнута за счет комплектов одежды с несколькими тонкими слоями, что свободная посадка обеспечивает большую теплоизоляцию, чем плотная посадка, и что теплоизоляция имеет нижний предел. , задается воздушной прослойкой, которая прилипает к коже.

В одежде для холодной погоды часто трудно получить толщину, используя только тонкие ткани. Решение состоит в том, чтобы создать толстые ткани, прикрепив две тонкие ткани оболочки к ватину. Цель ватина состоит в том, чтобы создать воздушную прослойку и удерживать воздух внутри как можно более неподвижным. У толстых тканей есть и недостаток: чем больше слоев соединено, тем жестче становится одежда, тем самым ограничивая движения.

Разнообразие одежды

Утепление ансамбля одежды во многом зависит от конструкции одежды. Конструктивные параметры, влияющие на изоляцию, включают количество слоев, отверстия, посадку, распределение изоляции по телу и открытой коже. Некоторые свойства материалов, такие как воздухопроницаемость, отражательная способность и покрытия, также важны. Кроме того, ветер и активность меняют изоляцию. Можно ли дать адекватное описание одежды с целью предсказания комфорта и терпимости ее владельца? Были предприняты различные попытки, основанные на различных методах. Большинство оценок полной изоляции ансамбля было сделано для статических условий (без движения, без ветра) в ансамблях внутри помещений, поскольку доступные данные были получены с тепловых манекенов (McCullough, Jones and Huck, 1985). Измерения на людях трудоемки, и результаты сильно различаются. С середины 1980-х годов были разработаны и используются надежные движущиеся манекены (Olesen et al., 1982; Nielsen, Olesen and Fanger, 1985). Кроме того, улучшенные методы измерения позволили проводить более точные эксперименты на людях. Проблема, которая до сих пор не решена полностью, заключается в правильном включении испарения пота в оценку. Потеющие манекены встречаются редко, и ни у одного из них нет реалистичного распределения скорости потоотделения по телу. Люди потеют реально, но непостоянно.

Определение изоляции одежды

Изоляция одежды (I_cl в единицах м²K/Вт) для стационарных условий, без источников излучения или конденсата в одежде, определяется в «Формулы и определения». Часто I выражается в единицах кло (не является стандартной международной единицей). Один кло равен 0.155 м²К/Вт. Использование единицы clo неявно означает, что она относится ко всему телу и, таким образом, включает теплопередачу через открытые части тела.

I изменяется движением и ветром, как объяснялось ранее, и после корректировки результат называется результирующая изоляция. Это часто используемый, но не общепринятый термин.

Распределение одежды по телу

Общая теплопередача от тела включает тепло, передаваемое через открытые участки кожи (обычно голову и руки), и тепло, проходящее через одежду. Внутренняя изоляция (См. «Формулы и определения») рассчитывается по всей площади кожи, а не только по покрытой части. Открытая кожа передает больше тепла, чем закрытая кожа, и, таким образом, оказывает сильное влияние на внутреннюю изоляцию. Этот эффект усиливается при увеличении скорости ветра. На рис. 3 показано, как внутренняя изоляция постепенно уменьшается из-за кривизны формы тела (внешние слои менее эффективны, чем внутренние), открытых частей тела (дополнительный путь для передачи тепла) и увеличения скорости ветра (меньше изоляции, в частности, для открытой кожи) (Lotens 1989). Для толстых ансамблей снижение изоляции является существенным.

Рисунок 3. Внутренняя изоляция, на которую влияют кривизна тела, обнаженная кожа и скорость ветра.

Типичная толщина ансамбля и охват

По-видимому, и толщина изоляции, и покрытие обшивки являются важными факторами, определяющими потери тепла. В реальной жизни эти два понятия соотносятся в том смысле, что зимняя одежда не только толще, но и покрывает большую часть тела, чем летняя. Рисунок 4 демонстрирует, как эти эффекты вместе приводят к почти линейной зависимости между толщиной одежды (выраженной как объем изоляционного материала на единицу площади одежды) и изоляцией (Lotens 1989). Нижний предел определяется изоляцией окружающего воздуха, а верхний предел - удобством использования одежды. Равномерное распределение может обеспечить наилучшую изоляцию на холоде, но нецелесообразно иметь большой вес и массу на конечностях. Поэтому акцент часто делается на туловище, и чувствительность местной кожи к холоду приспособлена к этой практике. Конечности играют важную роль в регуляции теплового баланса человека, и высокая изоляция конечностей ограничивает эффективность этой регуляции.

Рисунок 4. Общая изоляция в зависимости от толщины одежды и распределения по телу.

Вентиляция одежды

Захваченные воздушные слои в ансамбле одежды подвержены движению и ветру, но в иной степени, чем соседний воздушный слой. Ветер создает вентиляцию в одежде, проникая в ткань и проходя через отверстия, а движение усиливает внутреннюю циркуляцию. Хавенит, Хеус и Лотенс (1990) обнаружили, что внутри одежды движение является более сильным фактором, чем в прилегающем воздушном слое. Однако этот вывод зависит от воздухопроницаемости ткани. Для тканей с высокой воздухопроницаемостью вентиляция ветром значительна. Лотенс (1993) показал, что вентиляция может быть выражена как функция эффективной скорости ветра и воздухопроницаемости.

Оценки теплоизоляции и паронепроницаемости одежды

Физические оценки изоляции одежды

Толщина комплекта одежды дает первую оценку изоляции. Типичная проводимость ансамбля составляет 0.08 Вт/мК. При средней толщине 20 мм это приводит к I_cl 0.25 м²К/Вт, или 1.6 кл. Однако свободные части, такие как брюки или рукава, имеют гораздо более высокую проводимость, порядка 0.15, тогда как плотно прилегающие слои одежды имеют проводимость 0.04, знаменитые 4 кло на дюйм, о которых сообщают Бертон и Эдхольм (1955). ).

Оценки из таблиц

Другие методы используют табличные значения для предметов одежды. Эти предметы были предварительно измерены на манекене. Исследуемый ансамбль необходимо разделить на составные части, которые необходимо найти в таблице. Неправильный выбор наиболее похожего из таблицы предмета одежды может привести к ошибкам. Чтобы получить внутреннюю изоляцию ансамбля, отдельные значения изоляции должны быть помещены в уравнение суммирования (McCullough, Jones and Huck 1985).

Фактор площади поверхности одежды

Чтобы рассчитать полную изоляцию, f_cl надо оценить(см. "Формулы и определения"). Практическая экспериментальная оценка заключается в измерении площади поверхности одежды, внесении поправок на перекрывающиеся части и делении на общую площадь кожи (Дюбуа и Дюбуа, 1916). Другие оценки из различных исследований показывают, что f_cl увеличивается линейно с внутренней изоляцией.

Оценка паростойкости

Для ансамбля одежды паронепроницаемость представляет собой сумму сопротивления слоев воздуха и слоев одежды. Обычно количество слоев варьируется в зависимости от тела, и наилучшей оценкой является средневзвешенное значение площади, включая открытые участки кожи.

Относительная паростойкость

Сопротивление испарению используется реже, чем I, потому что мало измерений C_cl (или P_cl) доступны. Вудкок (1962) избежал этой проблемы, определив индекс паропроницаемости. i_m как отношение I и R, связанное с тем же соотношением для одного слоя воздуха (это последнее соотношение почти постоянно и известно как психрометрическая константа S, 0.0165 К / Па, 2.34 км³/г или 2.2 К/торр); i_m= I/(Р·С). Типичные значения для i_m для одежды без покрытия, определяемой на манекенах, составляет от 0.3 до 0.4 (McCullough, Jones and Tamura, 1989). Значения для i_m для тканевых композитов и окружающего их воздуха можно относительно просто измерить на приборе с влажным нагревателем, но на самом деле значение зависит от потока воздуха над устройством и отражательной способности шкафа, в котором он установлен. Экстраполяция отношения R и I для одетых людей иногда предпринимаются попытки измерения от размеров тканей до комплектов одежды (DIN 7943-2 1992). Это технически сложное дело. Одна из причин в том, что R пропорциональна только конвективной части I, так что должны быть сделаны осторожные поправки на радиационную теплопередачу. Другая причина заключается в том, что захваченный воздух между тканевыми композитами и комплектами одежды может быть разным. На самом деле диффузию пара и теплопередачу лучше рассматривать отдельно.

Оценки по сочлененным моделям

Для расчета изоляции и сопротивления водяному пару доступны более сложные модели, чем описанные выше методы. Эти модели рассчитывают локальную изоляцию на основе физических законов для ряда частей тела и объединяют их с внутренней изоляцией для всего человеческого тела. Для этого форма человека аппроксимируется цилиндрами (рисунок ). Модель Маккалоу, Джонса и Тамуры (1989) требует данных об одежде для всех слоев ансамбля, указанных для каждого сегмента тела. Модель CLOMAN Лотенса и Хавенита (1991) требует меньше входных значений. Эти модели имеют одинаковую точность, которая лучше, чем любой из других упомянутых методов, за исключением экспериментального определения. К сожалению и неизбежно, модели более сложны, чем хотелось бы в широко принятом стандарте.

Рисунок 5. Сочленение фигуры человека в цилиндрах.

Влияние активности и ветра

Лотенс и Хавенит (1991) также представили модификации, основанные на литературных данных, в отношении изоляции и паронепроницаемости в зависимости от активности и ветра. Изоляция ниже, когда вы сидите, чем когда стоите, и этот эффект больше для одежды с высокой теплоизоляцией. Однако движение снижает изоляцию сильнее, чем поза, в зависимости от интенсивности движений. При ходьбе двигаются обе руки и ноги, причем сокращение больше, чем при езде на велосипеде, когда двигаются только ноги. Также в этом случае уменьшение больше для ансамблей из толстой одежды. Ветер больше всего снижает теплоизоляцию для легкой одежды и меньше для тяжелой одежды. Этот эффект может быть связан с воздухопроницаемостью ткани оболочки, которая обычно меньше у одежды для холодной погоды.

На рис. 8 показаны некоторые типичные эффекты ветра и движения на паронепроницаемость непромокаемой одежды. В литературе нет определенного согласия относительно величины движения или ветрового воздействия. Важность этого вопроса подчеркивается тем фактом, что некоторые стандарты, такие как ISO 7730 (1994), требуют результирующей изоляции в качестве исходной информации, когда они применяются для активных людей или людей, подвергающихся значительному движению воздуха. Это требование часто упускается из виду.

Рис. 6. Снижение паронепроницаемости при ветре и ходьбе для различной непромокаемой одежды.

Управление влажностью

Эффекты поглощения влаги

Когда ткани могут поглощать водяной пар, как большинство натуральных волокон, одежда работает как буфер для пара. Это изменяет теплопередачу во время переходных процессов из одной среды в другую. Когда человек в непоглощающей одежде переходит из сухой среды во влажную, испарение пота резко уменьшается. В гигроскопичной одежде ткань поглощает пар, и испарение меняется постепенно. В то же время процесс поглощения высвобождает тепло в ткани, повышая ее температуру. Это уменьшает передачу сухого тепла от кожи. В первом приближении оба эффекта компенсируют друг друга, оставляя общий теплообмен неизменным. Разница с негигроскопичной одеждой заключается в более постепенном изменении испарения с кожи с меньшим риском накопления пота.

Поглощающая способность пара

Впитывающая способность ткани зависит от типа волокна и массы ткани. Поглощенная масса примерно пропорциональна относительной влажности, но выше 90%. Поглотительная способность (называется вернуть себе) выражается количеством водяного пара, поглощаемого 100 г сухого волокна при относительной влажности 65 %. Ткани можно классифицировать следующим образом:

• низкое поглощение— акрил, полиэстер (от 1 до 2 г на 100 г)
• промежуточное поглощение— нейлон, хлопок, ацетат (от 6 до 9 г на 100 г)
• высокий уровень поглощения— шелк, лен, конопля, вискоза, джут, шерсть (11—15 г на 100 г).

Водопоглощение

Удержание воды в тканях, которое часто путают с поглощением пара, подчиняется другим правилам. Свободная вода слабо связана с тканью и хорошо растекается в стороны по капиллярам. Это известно как затекание. Перенос жидкости из одного слоя в другой происходит только для влажных тканей и под давлением. Одежда может смачиваться неиспарившимся (лишним) потом, впитавшимся с кожи. Содержание жидкости в ткани может быть высоким, и ее испарение в более поздний момент представляет угрозу тепловому балансу. Обычно это происходит во время отдыха после тяжелой работы и называется озноб. Способность тканей удерживать жидкость больше связана с конструкцией ткани, чем с поглощающей способностью волокон, и для практических целей ее обычно достаточно, чтобы поглотить весь излишек пота.

Конденсация

Одежда может намокнуть из-за конденсации испарившегося пота на определенном слое. Конденсация происходит, если влажность выше, чем позволяет местная температура. В холодную погоду это часто бывает на внутренней стороне внешней ткани, а в сильный мороз даже в более глубоких слоях. Там, где происходит конденсация, влага скапливается, но температура повышается, как и при абсорбции. Однако разница между конденсацией и абсорбцией заключается в том, что абсорбция — это временный процесс, тогда как конденсация может продолжаться длительное время. Скрытая теплопередача во время конденсации может в значительной степени способствовать потерям тепла, что может быть или не быть желательным. Накопление влаги в основном является недостатком из-за дискомфорта и риска переохлаждения. При обильной конденсации жидкость может попасть обратно на кожу для повторного испарения. Этот цикл работает как тепловая трубка и может сильно снизить изоляцию нижнего белья.

Динамическое моделирование

С начала 1900-х годов было разработано множество стандартов и индексов для классификации одежды и климата. Почти без исключения они имели дело с устойчивыми состояниями — условиями, в которых климат и работа поддерживались достаточно долго, чтобы у человека развилась постоянная температура тела. Этот вид работы стал редкостью в связи с улучшением гигиены труда и условий труда. Акцент сместился на кратковременное пребывание в суровых условиях, часто связанное с управлением стихийными бедствиями в защитной одежде.

Таким образом, существует потребность в динамическом моделировании, включающем передачу тепла одеждой и тепловую нагрузку пользователя (Gagge, Fobelets and Berglund 1986). Такое моделирование может быть выполнено с помощью динамических компьютерных моделей, которые выполняются по заданному сценарию. Среди самых сложных на сегодняшний день моделей одежды — THDYN (Lotens, 1993), которая позволяет использовать широкий спектр спецификаций одежды и была обновлена ​​с учетом индивидуальных характеристик симулируемого человека (рис. 9). Можно ожидать больше моделей. Однако существует потребность в расширенной экспериментальной оценке, и запуск таких моделей — это работа экспертов, а не умных неспециалистов. Динамические модели, основанные на физике тепломассообмена, включают в себя все механизмы теплообмена и их взаимодействия — паропоглощение, тепло от лучистых источников, конденсацию, вентиляцию, накопление влаги и т. д. — для широкого круга ансамблей одежды, в том числе гражданской, рабочая и защитная одежда.

Рис. 7. Общее описание динамической тепловой модели.

Назад